Введение к работе
Актуальность темы.
В последние годы новый импульс развития получила силовая плазменная электроника, возникшая после основополагающих работ Ахиезера и Файнберга, Бома и Гросса, предсказавших явление пучковой неустойчивости, состоящее в эффективном возбуждении колебаний и волн в плазме электронным пучком. В течение последнего десятилетия разработан принципиально новый тип приборов - черенковские пуч-ково-плазмеїшьіе СВЧ усилители - плазменные ЛЕВ (ПЛБВ), основанные на гибридных замедляющих электродинамических структурах (ЗС), представляющих собой цепочку связанных резонаторов (ЦСР) с плазменным заполнением пролётного канала . Пучково-плазменные усилители СВЧ имеют следующие характеристики: эффективность(к.п.д.) - 35 %; цитрина рабочего диапазона - 25 %; мощность - 25кВт; коэффициент усиления сигнала - 22 дБ. Полученные параметры определяются:
объёмным характером взаимодействия в системе пучок-плазма; - компенсацией пространственного заряда электронного пучка;
возможностью пространственного разделения в такой структуре областей ввода, вывода и транспортировки электромагнитной энергии с областью взаимодействия пучка с волной в плазме;
- длительным синхронизмом пучка с волнами гибридных замедляющих структур при использовании продольных градиентов концентрации плазмы и магнитного поля. Гибридные ЗС сочетают в себе высокую эффективность взаимодействия, характерную для плазменных волноводов, с возможностью практически полного излучения энергии возбуждаемых СВЧ полей. Реализация преимуществ плазменно-волноводньгх структур потребовала, с одной стороны, детального исследования дисперсионных характеристик и динамики взаимодействия электронного пучка с гибридными волнами, с другой - разработки специальных методов конструирования и
настройки пучково-плазменных приборов, обеспечивающих большой срок службы приборов и учитывающих наличие в них плазмы, а также интенсивных электронных и ионных потоков .
Одной из наиболее актуальных задач в настоящее время является обеспечение передачи нарастающего потока информации. Использоваїше преимуществ ПЛБВ - высокой мощности и широкого рабочего диапазона позволяет: -увеличить скорость передачи информации ; -повысить помехозащищенность систем передачи информации; -увеличить дальность передачи;
-упростить аппаратурную часть системы связи за счет сокращения числа приемо-передающих блоков.
Перспектива применения достаточно широкополосных и мощных ПЛБВ в системах связи вызвала необходимость исследования ряда характеристик, таких как:
-интер-модуляционные и кросс-модуляционные характеристики в режиме одновременного усиления нескольких сигналов; -уровень собственных шумов усилителя;
-уровень побочных колебаний и гармоник, в частности, возбуждение на второй и третьей гармониках сигнала; -линейность амплитудной характеристики и др.
Данная работа посвящена экспериментальному и теоретическому анализу плазмснно-волноводных СВЧ структур и исследованию рабочих характеристик приборов.
Основная цель работы - исследование плазменно-волноводных СВЧ систем на примере ПЛБВ, изучение их характеристик, а также проведение необходимых исследований по определению рабочих параметров приборов.
Поставленная цель включает решение следующих задач: -Анализ и экспериментальное исследование электродинамических характеристик гибридных ЗС на основе ЦСР с плазменным заполнением канала и разработка расчетно-аналитической модели гибридной ЗС. Исследование моделей с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале. Экспериментальное исследование влияния плазменного заполнения на электродинамические свойства гибридных СВЧ структур,
исследование дисперсионных свойств гибридной ЗС на основе ЦСР в процессе разработки плазменной ЛБВ для обеспечения рабочих параметров приборов.
-Исследование возможности расширения частотного диапазона приборов . Изучение эффекта расширения частотного диапазона ПЛБВ вне зоны «прозрачности» вакуумной ЗС, определение рабочих параметров пучково-плазменного взаимодействия в пролетном канале прибора, обеспечивающих расширение частотного диапазона. Исследование характеристик согласования гибридных ЗС при плазменном заполнении пролетного канала.
-Изучение многочастотного режима работы ПЛБВ (т.е. режима одновременного усиления нескольких сигналов), измерение энергетических и спектральных характеристик возбуждения комбинационных составляющих при двухчастотной работе. Разработка и исследование численного метода анализа многочастотного режима усиления. Исследование кросс-модуляционных и интермодуляционных характеристик при одновременном усилении двух гармонических сигналов, определение оптимальных режимов работы ПЛБВ при работе в режиме усиления нескольких сигналов.
-Анализ уровня паразитных и внеполосных колебаний в ПЛБВ, исследование шумовых характеристик, разработка ПЛБВ с рабочими характеристиками, удовлетворяющими стандартам электромагнитной совместимости при работе в системах связи и коммуникаций.
Методика исследования.
В работе использован комплексный подход к проведению исследований, включающий: физические эксперименты и анализ их результатов; аналитические расчеты; построение качественных моделей и выполнение на их основе численного моделирования; исследования макетов ПЛБВ на экспериментальной установке, прошедшей аттестацию по стандартным методикам. Для измерения дисперсионных характеристик гибридных СВЧ структур был применен метод с использованием изолированного газоразрядного источника плазмы
(ГРИП). Параметры плазмы определялись резонаторным методом. Для снятия СВЧ характеристик из волноводных и коаксиальных элементов были собраны и прокалиброваны специальные измерительные тракты. Шумовые и частотные характеристики . ПЛБВ измерялись с помощью спекгро-анализаторов, ваттметров и метода, основанного на использовании волновод-ного разделителя колебаний и измерителя спектральной плотности мощности (ИСПМ-1).
Достоверность результатов.
Достоверность результатов подтверждается систематическим характером экспериментальных исследований на аттестованном оборудовании, проведенным по стандартным методикам, хорошим совпадением результатов, полученных различными методами и удовлетворительным согласованием с расчет-но-теоретическими моделями, как в качественном, так и в количественном отношении.
Научная новизна.
В ходе проведения исследований были получены следующие новые научные результаты:
-
Получило развитие теоретическое исследование электродинамических характеристик гибридных систем на основе ЦСР с плазменным заполнением канала. Проведен анализ влияния параметров плазмы и геометрии гибридной ЗС на дисперсионные и импедансные характеристики. Впервые исследованы модели гибридной структуры с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в канале гибридной ЗС типа ЦСР.
-
Предложен оригинальный резонаторный метод определения дисперсионных характеристик гибридной ЗС на основе ЦСР с помощью автономного газоразрядного источника плазмы на этапе разработки и изготовления плазменной ЛБВ. На основе резонаторного метода экспериментально исследовано влияние плазменного заполнения пролетного канала на электродинамические свойства гибридной ЗС . Получено хорошее совпадение экспериментальных данных с результатами, вьшолнешіьши по разработанной программе расчета гибридной ЗС типа ЦСР.
3. С целью улучшения рабочих параметров разрабатывае
мых ПЛБВ исследованы характеристики согласования входно
го и выходного устройств ШІБВ при заполнении пролетного
канала плазмой различной концентрации. По результатам мо
делирования определено значение оптимальной концентрации
плазмы (~3х10"см'э) в пролетном канале ЦСР, при которой в
эксперименте впервые достигнуто значительное расширение
частотного диапазона согласования макета ПЛБВ. На основе
анализа расчетно-аналитической модели проведено экспери
ментальное исследование эффекта расширения диапазона
усиления ПЛБВ вне зоны «прозрачности» вакуумной ЗС при
плазменно-волноводном взаимодействии в пролетном канале
прибора. Новым результатом является экспериментально по
лученное расширение диапазона усиления и согласования ма
кета ПЛБВ (на 20% по сравнению с полосой вакуумного ре
жима работы).
-
Впервые для гибридных приборов проведен детальный анализ уровня паразитных и внеполосных колебаний в плазменной ЛБВ. Разработаны приборы с рабочими характеристиками, удовлетворяющими требованиям работы в системах связи и коммуникаций. Впервые проведено спектральное исследование шумовых характеристик макета ПЛБВ.
-
Проведено изучение процесса одновременного усиления нескольких сигналов в ПЛБВ. Получил развитие численный метод анализа многочастотного режима работы ПЛБВ, основанный на приближенном представлении сложного сигнала в виде квазигармонического с медленно изменяющейся амплитудой.
6. Исследовано возбуждение комбинационных составляю
щих при двухчастотной работе. Получены кросс-
модуляционные и интер-модуляционные характеристики ма
кета ПЛБВ. Определены режимы работы ПЛБВ при многочас
тотной работе, обеспечивающие уровни возбуждения комби
национных составляющих, которые удовлетворяют требова
ниям по электромагнитной совместимости.
Практическая ценность работы определяется следующими результатами^
Разработанная программа расчета электродинамических характеристик позволяет проводить разработку ЗС для различных гибридных систем на основе ЦСР с плазменным заполнением канала ПЛБВ с улучшенными рабочими характеристиками. Получено хорошее совпадение результатов численного моделирования с экспериментальными измерениями на макетах;
Применение на этапе изготовления и настройки плазменной ЛБВ разработанного резонаторного метода для определения оптимальной концентрации плазмы и измерения дисперсионных характеристик гибридной ЗС дает возможность упростить настройку и повысить рабочие параметры приборов;
Достигнутое значительное расширение частотного диапазона согласования и увеличение рабочего диапазона усиления макета ПЛБВ вне полосы прозрачности вакуумной системы ( на 20%) позволяет получить улучшенные выходные параметры приборов;
Проведенный анализ уровня побочных колебаний в ПЛБВ позволяет определить значения уровня собственных шумов прибора при частотно-импульсном и непрерывном режиме работы источников питания. Разработаны приборы с характеристиками, удовлетворяющими требованиям к системам связи и коммуникаций (уровень спектральной плотности шума не более 1.0 мкВт\Мгц);
Развит метод анализа многочастотного режима работы ПЛБВ, позволяющий достоверно моделировать и исследовать интермодуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых приборов с учетом параметров реальной амплитудной характеристики плазменной ЛБВ.
- Результаты исследования многочастотного режима работы
ПЛБВ, в частности, возбуждения комбинационных составляю
щих при двухчастотной работе, позволяют определить режимы
и парметры прибора, обеспечивающие уровень комбинацион
ных составляющих при одновременном усилении двух гармо
нических сигналов не более -27 дБ относительно уровня основ
ных сигналов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Расчетно-аналитическая модель гибридной ЗС с плазменным заполнением пролетного канала, в том числе с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале, позволяющая достоверно анализировать влияние параметров плазмы, магнитного поля и геометрии гибридной ЗС на дисперсионные и импедансные характеристики исследуемой ЗС.
-
Разработанный резонаторний метод измерения дисперсионных характеристик гибридной ЗС на основе ЦСР позволяющий проводить настройку замедляющей системы и повысить параметры разрабатываемых приборов.
-
Значительное увеличение частотного диапазона согласования электродинамической структуры ПЛБВ вне зоны «прозрачности» вакуумной ЗС, расширяющее диапазон усиления макета ПЛБВ на 20%, что достигается при определенной концентрации плазмы в пролетном канале ЦСР (~3х10"см" ).
-
Достигнутый интегральный уровень шумов, не более 1 .ОмкВт/МГц в исследованной полосе частот, превышающей в три раза рабочую полосу частот, полученный на основе проведенного анализа уровня побочных колебаний в ПЛБВ.
-
Развитый численный метод, примененный для анализа многочастотного режима работы плазменных ЛБВ, основанный на приближенном представлении сложного сигнала в виде квазигармонического с медленно меняющимися амплитудой, позволяющий достоверно моделировать и исследовать интер-модуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых ПЛБВ на основе экспериментальной амплитудной характеристики .
-
Измеренный уровень комбинационных составляющих (не более -27 дБ), который может быть обеспечен при одновременном усилении двух СВЧ сигналов в плазменной ЛБВ.
Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.
Апробация работы.
Основные положения выполненных теоретических и экспериментальных исследований были доложены на: -Четвертой Международной конференции по СВЧ электронике (Санкт- Петербург, 1999г.)
Восьмой Международной конференции по СВЧ технике
( Украина, Севастополь, 1999г.) -Международной конференции по вакуумной электронике
(Монтеррей, 2000);
-научных конферешгиях МИФИ «Научная сессия МИФИ», (1999г, 2000г.); -научных семинарах ВЭИ им. В,И,Ленина (1997г., 1999г.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано девять научных статей.
Структура и объем работы.
